Nonlinear analysis and global modeling of Karstic microclimates: Altamira and El Rull
- Autores: Marina Sáez Andreu
- Directores de la Tesis: David Benavente García (dir. tes.), Soledad Cuezva Robleño (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Sergio Sánchez Moral (presid.), Concepción Pla Bru (secret.), Mireille Huc (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Experimentales y Biosanitarias por la Universidad de Alicante
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUA
- Resumen
En esta investigación hemos estudiado, por primera vez, microclimas kársticos como sistemas dinámicos no lineales. En particular, hemos analizado y modelizado los microclimas de las cuevas españolas de Altamira y El Rull y sus conexiones con el clima exterior. Con este objetivo, hemos utilizado la técnica de modelización global, la cual pretende extraer modelos directamente de datos observacionales. Este técnica está bien adaptada al estudio de sistemas complejos reales y se apoya en los teoremas de embedding. El embedding permite, en principio, reconstruir sistemas usando las variables disponibles y algunas de sus derivadas; por tanto, abre la posibilidad de modelizar microclimas kársticos incluso si algunas variables de estado no están disponibles o no pueden medirse en la práctica. También ha demostrado ser aplicable a series temporales muy cortas, lo cual constituye también una ventaja en comparación con otros tipos de modelización.
Los microclimas de cuevas están dirigidos por el clima exterior. La variedad de climas externos y de configuraciones de las cavidades lleva a una variedad de microclimas kársticos. No obstante, uno de los controles más relevantes es normalmente la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior. En general, los microclimas kársticos son muy estables en relación a variables como la temperatura o la humedad (comparadas con las exteriores). Por el contrario, los niveles de CO2 y 222Rn en el aire muestran notables oscilaciones estacionales a lo largo del año, por lo que estos gases son adecuados para caracterizar las dinámicas de las atmósferas de cuevas.
Los microclimas de cuevas se suelen entender como la superposición de componentes deterministas y estocásticas. La hipótesis de una componente determinista frecuentemente se considera ineludible porque es una hipótesis habitual en la física clásica y porque las aproximaciones que permiten detectar determinismo a partir de datos observacionales son escasas. El haber encontrado modelos en forma de conjuntos de ecuaciones diferenciales evidencia fuertemente que los microclimas kársticos son, de hecho, deterministas y pueden ser razonablemente aproximados mediante sistemas deterministas de baja dimensión. Además, proponemos que su complejidad en realidad proviene de su sensibilidad a condiciones iniciales y perturbaciones (lo que se conoce indistintamente como comportamiento determinista-caótico o comportamiento caótico). Aunque algunos de nuestros modelos sólo capturan la parte periódica de la dinámica, un ligero afinado de un coeficiente fue suficiente para encontrar modelos que convergen a atractores caóticos y que son más coherentes son el comportamiento no trivial de los retratos de fase observacionales. Esto indica que los microclimas de Altamira y El Rull son caóticos o cercanos al caos. Además, todos lo modelos muestran largos transients, lo que indica que pequeñas perturbaciones pueden lanzar el sistema a un estado de caos transitorio. En todos los casos, la fuente de caos es el clima exterior (un sistema caótico de alta dimensión bien establecido), mientras que el karst reduce la dimensionalidad debido a su efecto aislante, lo cual lleva dinámicas de menor dimensión, capturadas por los modelos.
Hasta ahora la evolución temporal de las concentraciones de CO2 y 222Rn en cuevas y su relación con el clima externo se ha abordado predominantemente mediante aproximaciones estadísticas, las cuales no pueden garantizar la existencia de relaciones causales. Se han propuesto algunos modelos matemáticos para el estudio de microclimas, pero son locales (aplicables sólo a fragmentos de las series temporales), estáticos o se centran en algún aspecto particular (por ejemplo, el descenso de CO2 inmediatamente después de una visita turística). Por primera vez, hemos encontrado sistemas de ecuaciones diferenciales representan de forma global estos microclimas kársticos (aunque las oscilaciones diarias y de alta frecuencia no se han considerado en este estudio). Es más, aunque restringidos a ambientes kársticos, estos son los primeros modelos dinámicos climáticos extraídos directamente de datos observacionales, ya que todos los anteriores se basan en consideraciones teóricas. Para Altamira, encontramos modelos basados en variables internas. Para ambas cuevas encontramos modelos que relacionan las variables internas y los forzamientos externos (la humedad del suelo para Altamira, el número de visitantes diarios para el Rull y la temperatura exterior para ambas).
Otra innovación introducida en esta investigación es el uso de series temporales observacionales como forzamientos externos (temperatura exterior, humedad del suelo y número de visitantes). Por primera vez en el estudio de un fenómeno real, se han presentado modelos globales formulados de forma no-autónoma. Esto ha permitido reducir la complejidad del proceso de búsqueda y validación de modelos, así como la posterior reinyección de esta complejidad original en los modelos. Es más, ha permitido el estudio de la respuesta de los microclimas kársticos a diferentes escenarios climáticos hipotéticos.
En conclusión, el hallazgo de estos modelos es un notable paso adelante en el estudio de las cuevas de Altamira y El Rull, así como una exploración metodológica que ha abierto caminos fructíferos para el futuro de la investigación de microclimas kársticos.
